CN106872260A - 一种岩石脆性指数的获取方法及岩石的脆性评价方法 - Google Patents

Abstract

一种岩石脆性指数的获取方法及岩石的脆性评价方法，涉及岩石的脆性评价领域。脆性指数的获取方法包括：根据岩石的全应力应变曲线计算得到归一化的屈服应变与总应变之比、归一化的屈服强度与抗压强度之比、归一化的泊松比以及归一化的杨氏模量。根据归一化的屈服应变与总应变之比、归一化的屈服强度与抗压强度之比、归一化的泊松比以及归一化的杨氏模量确定岩石的脆性指数。该脆性指数综合考虑了岩石的弹性和塑性特征，比较全面地考虑了岩石峰前阶段应力‑应变的整个过程，且所需参数容易通过力学试验测得。岩石的脆性评价方法，其包括：采用上述的获取方法得到的脆性指数对岩石进行脆性评价。该脆性评价方法能够较全面地表征岩石的脆性特征。

Description

一种岩石脆性指数的获取方法及岩石的脆性评价方法

技术领域

本发明涉及岩石的脆性评价领域，且特别涉及一种岩石脆性指数的获取方法及岩石的脆性评价方法。

背景技术

页岩(油)气储层的开发，关键技术之一是采用水力压裂技术造缝，提高生产井的波及范围和储层其渗透率。泥页岩脆性特征涉及到其可压裂性，因此，岩石脆性成为其特征评价重要方面。

现有岩石脆性的定量评价方法主要包括以下几个方面：

(1)基于室内岩石力学试验的定量评价方法

室内岩石力学试验可以得到岩石的破坏特征或应力-应变特征，根据岩石的破坏特征或应力-应变特征建立了相关的脆性评价方法，如：

①基于应力-应变参数的脆性评价方法，该类方法主要通过应力-应变试验得到岩石的可恢复性应变(能)、总应变(能)、峰值强度、残余强度等参数，通过岩石的可恢复应变(能)与总应变(能)的关系或者峰前、峰后的应力-应变曲线特征定量评价岩石的脆性。

②基于岩石强度参数的脆性评价方法，该类方法需要求岩石的多个强度参数，如抗压强度、抗张强度、内摩擦角等的。通过抗压强度与抗张强度的关系或者内摩擦角的大小定量评价岩石的脆性。

(2)基于岩石弹性参数的定量评价方法

Grieser和Bray首次提出根据岩石的杨氏模量和泊松比定量评价页岩储层岩石的脆性，并认为高脆性岩石具有较好的可压裂性，可以获得较好的产期量。Rickman等给出了杨氏模量和泊松比的最大值、最小值的建议值。该类方法由于能够方便的用于测井计算，被广泛用于页岩气储层岩石脆性定量评价。

以上脆性评价的方法从弹性应变、峰值强度、残余强度、弹性特征等方面建立岩石的脆性评价方法，但是这些脆性指数模型都是岩石脆性的某一方面的体现，不能代表岩石的真实的脆性定量特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岩石脆性指数的获取方法，其综合考虑了岩石的弹性和塑性特征，比较全面的考虑了岩石峰前阶段的应力-应变的整个过程，所需参数容易通过力学试验测得。

本发明的另一目的在于提供一种岩石的脆性评价方法，其能够比较全面地表征岩石的脆性特征。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种岩石脆性指数的获取方法，其包括以下步骤：

根据岩石的全应力应变曲线计算得到归一化的屈服应变与总应变之比、归一化的屈服强度与抗压强度之比、归一化的泊松比以及归一化的杨氏模量。

根据归一化的屈服应变与总应变之比、归一化的屈服强度与抗压强度之比、归一化的泊松比以及归一化的杨氏模量确定岩石的脆性指数。

一种岩石的脆性评价方法，其包括：采用根据上述的获取方法得到的脆性指数对岩石进行脆性评价。

本发明实施例的一种岩石脆性指数的获取方法及岩石的脆性评价方法的有益效果是：岩石脆性指数的获取方法，用归一化的杨氏模量、泊松比表征岩石峰前阶段的弹性特征，能够较为全面的表征峰前阶段的弹性变形；用归一化的屈服强度与抗压强度的比值、归一化的屈服应变与总应变的比值表示峰前曲线弹性变形和塑性变形的关系。四个参数是基于岩石的屈服特征和弹性特征提出的，综合四个参数可以较为全面的表征岩石峰前阶段的应力-应变的整个过程。由于该方法是采用的峰前曲线参数，则相较于复杂的峰后曲线特征参数，峰前曲线参数容易在实验中读取标准参数，方便不同地层、地区的数据对比。岩石的脆性评价方法，采用根据上述的获取方法得到的脆性指数对岩石进行脆性评价。能够比较全面地表征岩石的脆性特征。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为常见的岩石全应力-应变曲线；

图2为脆性指数B₁₃和脆性指数B₁的关系图；

图3为脆性指数B₁与脆性指数B₁₁的关系图；

图4为脆性指数B₁₃与脆性指数B₁₁的关系图；

图5为脆性指数B₁与脆性指数B_n的关系图；

图6为脆性指数B₁₁与脆性指数B_n的关系图；

图7为脆性指数B₁₃与脆性指数B_n的关系图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的一种岩石脆性指数的获取方法及岩石的脆性评价方法进行具体说明。

一种岩石脆性指数的获取方法，其包括以下步骤：

根据岩石的全应力应变曲线计算得到归一化的屈服应变与总应变之比、归一化的屈服强度与抗压强度之比、归一化的泊松比以及归一化的杨氏模量。

根据归一化的屈服应变与总应变之比、归一化的屈服强度与抗压强度之比、归一化的泊松比以及归一化的杨氏模量确定岩石的脆性指数。在本实施例中，岩石为泥页岩储层。

需要说明的是，本发明实施例中的归一化的屈服应变与总应变之比是指对屈服应变和总应变的比值进行归一化运算。同样地，归一化的屈服强度与抗压强度之比是指对屈服强度和抗压强度的比值进行归一化运算。用归一化的杨氏模量、泊松比表征岩石峰前阶段的弹性特征，能够较为全面的表征峰前阶段的弹性变形；用归一化的屈服强度与抗压强度的比值、归一化的屈服应变与总应变的比值表示峰前曲线弹性变形和塑性变形的关系。综合四个参数可以较为全面的表征岩石峰前阶段的应力-应变的整个过程。由于该方法是采用的峰前曲线参数，则相较于复杂的峰后曲线特征参数，峰前曲线参数容易在实验中读取标准参数，方便不同地层、地区的数据对比。

上述脆性指数的计算模型如下：

B_n＝a·B_Ym+b·B_μ+c·B_σ+d·B_ε，计算模型中，B_n为脆性指数，B_Ym为归一化的杨氏模量，B_μ为归一化的泊松比，B_σ为归一化的屈服强度与抗压强度，B_ε为归一化的屈服应变与总应变之比，a、b、c、d为常数且依次分别为B_Ym、B_μ、B_σ、B_ε的权重系数。

通过建立两个脆性因子B_Ym和B_ε，用归一化的杨氏模量(B_Ym)表征弹性应变段特征，用归一化的弹性应变与总应变之比(B_ε)表征弹塑性应变段特征(间接表征了塑性应变段特征)，可以较为完整的表征岩石破坏前应力-应变曲线，即岩石在破坏前发生的总应变越小，且塑性应变越小，岩石的脆性越高。

上述脆性指数的计算模型：B_n＝a·B_Ym+b·B_μ+c·B_σ+d·B_ε中，a的范围为0.2-0.3，b的范围为0.2-0.3，c的范围为0.2-0.3，d的范围为0.2-0.3，且a+b+c+d＝1。优选地，a＝b＝c＝d＝0.25。

其中，B_Ym的计算公式为：式中Ym为杨氏模量。B_μ的计算公式为:式中μ为泊松比。B_σ的计算公式为：式中σ_y为屈服强度，σ_c为抗压强度。B_ε的计算公式为：ε_y为屈服点轴向应变(屈服应变)，εtot为峰值强度点的轴向应变(总应变)。

在压缩实验中，如图1所示，c点为岩石的峰值强度点，oc段为岩石的峰前曲线段，y点为岩石的屈服点，y点之前岩石仅仅发生弹性变形，y点之后岩石发生弹性和塑性变形。即岩石的峰前曲线段可以分为线弹性阶段(oy)和弹塑性阶段(yc)。

在脆性指数B_n中，杨氏模量(Ym)为岩石的线弹性阶段(oy)的斜率，岩石的杨氏模量越大，其越不容易发生弹性形变，具有越高的刚性。泊松比(μ)为岩石的线弹性阶段的径向应变与轴向应变的比值，泊松比越大，岩石发生的体积应变也越小。和分别为岩石屈服点强度与抗压强度的比值、屈服点应变与峰值强度点应变的比值，和越大，屈服点越靠近峰值强度点(c)，岩石破坏前发生的塑性形变越小。新的脆性指数B_n，通过岩石在应力-应变过程中的弹性、刚性、塑性的综合特征表征岩石的脆性，即岩石的弹性和刚性越强、塑性越弱，岩石的脆性越强。

一种岩石的脆性评价方法，其包括：采用根据上述的获取方法得到的脆性指数对岩石进行脆性评价。

通过岩石脆性指数的获取方法可得到岩石的脆性指数B_n，通过脆性指数B_n的大小可判断岩石的脆性大小，脆性指数B_n越大，岩石的脆性越大。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例

实验对象：以新场地区须五段页岩气储层为例，该段地层属于三角洲平原-滨浅湖沉积环境，岩性主要为黑色、灰黑色泥页岩与灰色、灰褐色粉砂岩、细砂岩不等厚互层。

实验过程：首先采集研究区目的层段不同岩性的样品，开展岩石力学试验和矿物组分分析。通过岩石力学试验可以得到脆性指数Bn需要的力学参数，其结果记录在表1中，力学参数主要包括抗压强度、杨氏模量、泊松比、屈服强度、屈服应变、总应变，并在此基础上得到脆性指数B_n，B_n的计算模型为：B_n＝a·B_Ym+b·B_μ+c·B_σ+d·B_ε，计算模型中：a＝b＝c＝d＝0.25， 其中Ym_max、Ym_min、μ_max、μ_min均参考Rickman等(2008)的取值，分别为80MPa、10MPa、0.4、0.15。和取理论值1，和均取理论值0。

对比例1

将实施例中采集到的样品对其进行脆性指数的测试，其所采用的模型为目前产常用的基于可恢复性应变和总应变的关系得出的，其计算模型如下：式中：ε_el为样品的弹性应变量，ε_tot为总应变量。其测试结果记录在表1中。

对比例2

将实施例中采集到的样品对其进行脆性指数的测试，其所采用的模型为目前产常用的基于杨氏模量和泊松比的函数关系得出的，其计算模型如下：式中Ym为样品的杨氏模量，Ym_max和Ym_min分别为样品杨氏模量的最大值和最小值；μ为样品的泊松比，μ_max和μ_min分别为样品泊松比的最大值和最小值。Ym_max、Ym_min、μ_max、μ_min均参考Rickman等(2008)的取值，分别为80MPa、10MPa、0.4、0.15。其测试结果记录在表1中。

对比例3

将实施例中采集到的样品对其进行脆性指数的测试，其所采用的模型为目前产常用的基于矿物组分得出的，其计算模型如下：

V_s、V_ca、V_cl分别为样品中硅质组分、钙质组分、黏土组分的体积。其测试结果记录在表1中。

表1新场须五段力学测试结果及脆性指数

根据表1的测试结果，分别对B₁、B₁₁、B₁₃和B_n之间的关系进行了统计，其结果如图2-图7。

从图2-图4来看，应变关系脆性指数B₁和矿物含量脆性指数B₁₃之间具有较好的相关性，其决定系数R₂为0.7818(即相关系数为0.884)；而弹性参数脆性指数B₁₁与应变关系脆性指数B₁、矿物含量脆性指数B₁₃相关性均较低，决定系数R₂分别为0.5963、0.6116(即相关系数分别为0.772、0.782)，说明了弹性参数脆性指数B₁₁与应变关系脆性指数B₁、矿物含量脆性指数B₁₃之间的关系相对独立，三者表征脆性特征相对片面。脆性指数B₁₁与B₁、B₁₃的差异，表明他们只能从特定的角度描述岩石脆性的定量特征，存在一定的缺陷。

从图5-图7来看，综合脆性指数B_n与应变关系脆性指数B₁、弹性参数脆性指数B₁₁、矿物含量脆性指数B₁₃均具有较好的相关性，决定系数分别为0.8091、0.7857、0.6987(即相关系数分别为0.8995、0.8874、0.8359)，脆性指数B_n对B₁、B₁₁、B₁₃的特征都有较好的体现。由此可见，综合脆性指数B_n能够更为全面的表征岩石的脆性特征，本发明提出的岩石脆性指数的获取方法及岩石的脆性评价方法是一种有效地评价岩石脆性的方法。

综上所述，本发明实施例的岩石脆性指数的获取方法及岩石的脆性评价方法，用归一化的杨氏模量、泊松比表征岩石峰前阶段的弹性特征，能够较为全面的表征峰前阶段的弹性变形；用归一化的屈服强度与抗压强度的比值、归一化的屈服应变与总应变的比值表示峰前曲线弹性变形和塑性变形的关系。综合四个参数可以较为全面的表征岩石峰前阶段的应力-应变的整个过程。由于该方法是采用的峰前曲线参数，则相较于复杂的峰后曲线特征参数，峰前曲线参数容易在实验中读取标准参数，方便不同地层、地区的数据对比。本发明实施例的岩石的脆性评价方法，能够比较全面地表征岩石的脆性特征。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种岩石脆性指数的获取方法，其特征在于，其包括以下步骤：根据岩石的全应力应变曲线计算得到归一化的屈服应变与总应变之比、归一化的屈服强度与抗压强度之比、归一化的泊松比以及归一化的杨氏模量；

根据所述归一化的屈服应变与总应变之比、所述归一化的屈服强度与抗压强度之比、所述归一化的泊松比以及所述归一化的杨氏模量确定所述岩石的脆性指数。

2.根据权利要求1所述的岩石脆性指数的获取方法，其特征在于，所述脆性指数的计算模型如下：

B_n＝a·B_Ym+b·B_μ+c·B_σ+d·B_ε，所述计算模型中，B_n为所述脆性指数，B_Ym为所述归一化的杨氏模量，B_μ为所述归一化的泊松比，B_σ为所述归一化的屈服强度与抗压强度之比，B_ε为所述归一化的屈服应变与总应变之比，a、b、c、d为常数且依次为B_Ym、B_μ、B_σ、B_ε的权重系数。

3.根据权利要求2所述的岩石脆性指数的获取方法，其特征在于，所述计算模型中，a＝b＝c＝d＝0.25。

4.根据权利要求2所述的岩石脆性指数的获取方法，其特征在于，所述B_Ym的计算公式为：式中Ym为所述杨氏模量。

5.根据权利要求2所述的岩石脆性指数的获取方法，其特征在于，所述杨氏模量为所述全应力应变曲线在所述岩石的线弹性阶段的斜率。

6.根据权利要求2所述的岩石脆性指数的获取方法，其特征在于，所述B_μ的计算公式为:式中μ为所述泊松比。

7.根据权利要求6所述的岩石脆性指数的获取方法，其特征在于，所述泊松比为所述岩石的线弹性阶段的径向应变与轴向应变的比值。

8.根据权利要求2所述的岩石脆性指数的获取方法，其特征在于，所述B_σ的计算公式为：式中σ_y为所述屈服强度，σ_c为所述抗压强度。

9.根据权利要求2所述的岩石脆性指数的获取方法，其特征在于，所述B_ε的计算公式为：ε_y为屈服点轴向应变，ε_tot为峰值强度点的轴向应变。

10.一种岩石的脆性评价方法，其特征在于，其包括：采用根据权利要求1-9任一项所述的获取方法得到的所述脆性指数对所述岩石进行脆性评价。